專利名稱：高可靠性的射頻發(fā)生器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻(RF)功率發(fā)生器。
背景技術(shù)：
本部分中的陳述僅提供了涉及本發(fā)明的背景信息，并不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
RF發(fā)生器用在諸如制造集成電路的工業(yè)應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中，RF發(fā)生器是制造工藝的關(guān)鍵部件。RF發(fā)生器還與許多諸如傳感器、匹配網(wǎng)絡(luò)、等離子室等的許多其它器件連接。同樣地，移除并替換失效的發(fā)生器是昂貴的、耗時的和/或技術(shù)上復(fù)雜的。
撇開與失效的RF發(fā)生器有關(guān)的外部風(fēng)險不說，現(xiàn)在的RF發(fā)生器對內(nèi)部元件的故障或失效的容忍度有限。例如，RF發(fā)生器的子模塊中單個元件的失效會引起該RF發(fā)生器停工。在RF發(fā)生器使用例如至多5千瓦的低功率級應(yīng)用中，停工還是可以接受的，但是在使用更高功率級以制作更大直徑硅晶片的應(yīng)用中，停工是無法接受的。在高功率RF發(fā)生器中，對故障和/或失效的有限容忍度，還會導(dǎo)致令人反感的低平均故障間隔時間(MTBF)。
常規(guī)的RF發(fā)生器一般會有限的或非持續(xù)性地儲存在硬失效(hardfailure)出現(xiàn)之前發(fā)生的高速事件。這會導(dǎo)致用于解決復(fù)雜的系統(tǒng)級問題的時間延長。由于晶片加工工具的高度復(fù)雜性，有可能會錯誤地確定正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的部件，從而引起系統(tǒng)的不規(guī)則。這可能會導(dǎo)致正常工作的RF發(fā)生器在沒有問題時就被送交返修，這會進(jìn)一步降低MTBF統(tǒng)計值。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)某些實(shí)施例，射頻(RF)功率發(fā)生器包括產(chǎn)生RF功率的驅(qū)動器模塊、放大該RF功率的功率放大器模塊以及數(shù)據(jù)獲取模塊。該數(shù)據(jù)獲取模塊包括接收有關(guān)該功率放大器模塊的診斷數(shù)據(jù)的第一通信端口。該數(shù)據(jù)獲取模塊保存通過該第一通信端口接收故障指示之前預(yù)定時段內(nèi)所接收的數(shù)據(jù)。
在各個實(shí)施例中，RF發(fā)生器進(jìn)一步包括控制模塊，該控制模塊包括第二通信端口并確定該功率放大器的工作參數(shù)。電源控制模塊包括第三通信端口并確定向該功率放大器供電的電源的工作參數(shù)。該RF功率發(fā)生器進(jìn)一步包括連接該第一通信端口、第二通信端口以及第三通信端口的菊化鏈通信鏈路。
在各個實(shí)施例中，RF功率發(fā)生器包括產(chǎn)生RF信號的RF功率放大器模塊、向該功率放大器供電的電源，以及包括第一通信端口并且確定該功率放大器的工作參數(shù)的控制模塊。電源控制模塊包括第二通信端口并且確定電源的工作參數(shù)。菊化鏈通信鏈路連接該第一通信端口和第二通信端口。
根據(jù)某些實(shí)施例，RF功率發(fā)生器包括產(chǎn)生RF功率的驅(qū)動器模塊、放大該RF功率的功率放大器模塊，以及向該功率放大器模塊供電的電源模塊。電源控制模塊包括第一通信端口并且基于通過該第一通信端口接收故障指示，限制該電源模塊的輸出參數(shù)。
通過此處提供的說明，適用性的更大范圍將會變得清楚。可以理解，說明和具體示例只用于例證的目的，并不用于限制本發(fā)明的范圍。


此處描述的附圖僅為了示例性的目的，并不用于以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
圖1是改進(jìn)的RF發(fā)生器的功能方框圖；圖2是改進(jìn)的RF發(fā)生器的第二實(shí)施例的功能方框圖；以及圖3是包括組合器的RF發(fā)生器的功能方框圖，該組合器用于組合由至少兩個RF發(fā)生器產(chǎn)生的功率。
具體實(shí)施例方式
下列說明實(shí)際上僅為示例性，并不用于限制本發(fā)明、申請或應(yīng)用。可以理解，在附圖中相應(yīng)的附圖標(biāo)記自始至終表示相似或?qū)?yīng)的部分和特性。
參照圖1，示出了RF發(fā)生器10的幾個實(shí)施例中的一個。RF發(fā)生器10包括至少兩個功率放大器(PA)模塊或功率放大器12-1、12-2、12-3和12-4，這些功率放大器模塊或功率放大器統(tǒng)稱為功率放大器12。功率放大器12的各個功率放大器包括各自的功率晶體管或驅(qū)動器模塊14-1、14-2、14-3和14-4，這些功率晶體管或驅(qū)動器模塊統(tǒng)稱為功率晶體管14。功率放大器12的輸出可與各自的感性箝位電路16-1、16-2、16-3和16-4連通，這些感性箝位電路統(tǒng)稱為感性箝位電路16。用于指代相似元件的規(guī)定適用于整套申請文件。箝位電路16保護(hù)功率晶體管14免受負(fù)載瞬變，并且還限制功率晶體管14輸送到非常低的阻抗負(fù)載中的功率。在某些實(shí)施例中，箝位電路16可以包括在各自的功率放大器12中。
在某些實(shí)施例中，各個功率放大器12采用推挽式并聯(lián)功率放大器布局。在其它實(shí)施例中，功率放大器12采用半橋接放大器布局。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，各種功率放大器布局都可以用來實(shí)現(xiàn)功率放大器12。例如，功率放大器12還可以采用具有中空(air cavity)封裝的功率晶體管14。中空封裝允許功率晶體管14的一個晶體管短路失效，而功率放大器12的另一放大器繼續(xù)工作。在功率晶體管14的一個獨(dú)立晶體管在中空封裝中短路失效時，在該封裝內(nèi)的連線保險線斷開。斷開的連線將功率晶體管14的短路的獨(dú)立功率晶體管有效地與功率晶體管14的另一功率晶體管斷開，并且允許它們繼續(xù)工作，這樣的操作可能在靜電應(yīng)力和熱應(yīng)力增加時發(fā)生。
至少兩個電源模塊界定了將交流(AC)電轉(zhuǎn)換為直流(DC)電以供應(yīng)功率放大器12的電源(PS)模塊18。該AC電可以是通過電路斷路器(BrKr)20提供的三相電。該AC電還可以施加到輔助(HK)電源模塊22，該模塊與驅(qū)動器電源單元(PSU)協(xié)力，以產(chǎn)生供給RF發(fā)生器10的各個模塊的功率。線性濾波器模塊24，例如用于過濾電磁干涉或其它典型的干涉的線性濾波器模塊24，也可以用于過濾AC電。
電源模塊18向求和(∑)模塊26供給DC電流。求和模塊26累加輸入的DC電流和/或電壓，并且向功率放大器12傳送累加的電流和/或電壓。在某些實(shí)施例中，電源模塊18和/或求和模塊26還包括濾波器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)對提供給功率放大器12的累加電流進(jìn)行濾波。如果電源模塊18的一個電源失效，那么求和模塊26斷開該失效的電源模塊，從而允許RF發(fā)生器10繼續(xù)工作。
補(bǔ)償模塊28獲取、緩沖和/或確定數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)諸如過程變量和/或各自的定點(diǎn)、提供給功率放大器12的電流和/或電壓、由功率放大器12提供的電流和/或電壓，和/或各個元件和/或環(huán)境空氣的溫度。所獲取的數(shù)據(jù)暫時或相當(dāng)永久地存儲在追蹤緩沖存儲器(trace buffer)中。在各個實(shí)施例中，補(bǔ)償模塊28確定復(fù)數(shù)(complex)阻抗負(fù)載以及傳送的負(fù)載功率，并且向驅(qū)動器模塊14輸出控制信號，以改變功率放大器模塊21的工作，從而調(diào)整自組合器/電壓/電流(VI)探測器46的RF輸出功率。在某些實(shí)施例中，補(bǔ)償模塊28把數(shù)據(jù)與相應(yīng)的預(yù)定限制進(jìn)行比較，并且在違反該限制時指示故障情況。在各個實(shí)施例中，補(bǔ)償模塊28存儲獲取的數(shù)據(jù)用于分析。在某些實(shí)施例中，補(bǔ)償模塊28包括通信端口30，用于存儲和/或恢復(fù)緩沖的數(shù)據(jù)。通信端口30可采用諸如以太網(wǎng)、RS-232、無線或其它類型接口和/或協(xié)議之類的通信鏈路32。
在某些實(shí)施例中，通信鏈路32提供位于數(shù)據(jù)獲取模塊26和其它模塊之間的通信路徑，其它模快諸如系統(tǒng)控制模塊34和電源控制模塊36。通信鏈路32可以采用以菊化鏈方式連接的高速、可糾錯數(shù)字鏈路。與諸如星形和/或總線形的其它連接拓樸相比，菊化鏈連接減少了電纜數(shù)量，并因此可提高RF發(fā)生器10的可靠性。
系統(tǒng)控制模塊34包括聯(lián)鎖端口40、第二通信端口42以及用戶接口44。聯(lián)鎖40是在某些狀況下阻止RF發(fā)生器10產(chǎn)生RF功率的輸入端。例如，聯(lián)鎖40接收指示停工狀態(tài)的信號，并能遵照這些信號行事，禁用RF發(fā)生器10中的大功率部件。系統(tǒng)控制模塊34還可包括用戶接口48，該接口能用于控制和/或傳送RF系統(tǒng)10的各種參數(shù)。
根據(jù)來自系統(tǒng)控制模塊34和/或數(shù)據(jù)獲取模塊28的命令，電源控制模塊36控制電源模塊18。電源控制模塊36包括與通信鏈路32進(jìn)行通信的通信端口。如果電源模塊36接收到故障指示，例如通過通信鏈路32接收到故障指示，則在某些實(shí)施例中，電源模塊36限制至少一個電源模塊18的輸出功率，以保護(hù)功率放大器12免受損害。在故障響應(yīng)方面，電源控制模塊36可以與箝位電路16合作，以便進(jìn)一步保護(hù)功率放大器12。在某些實(shí)施例中，箝位電纜16對于故障狀況的響應(yīng)時間，快于電源控制模塊36對于故障狀態(tài)的響應(yīng)時間。
箝位電路16輸出RF信號。該RF信號經(jīng)過組合器/VI探測器46。組合器/VI探測器46組合來自箝位電路16的各個RF輸出，以產(chǎn)生組合的RF輸出。在某些實(shí)施例中，組合器/VI探測器46的VI探測器部分用集成寬帶VI探測器實(shí)現(xiàn)。VI探測器向數(shù)據(jù)補(bǔ)償模塊28提供感知的電壓和電流信號。VI探測器可以在相對高速率下使能對功率和負(fù)載阻抗的實(shí)際瞬時確定，同時抑制令人反感的信號，例如互調(diào)失真產(chǎn)生的信號。提高的速度使控制系統(tǒng)能更好地對負(fù)載波動作反應(yīng)，以進(jìn)一步提供高可靠性。VI探測器的示例，可以參照美國專利No.5,508,446以及No.6,522,121，這兩份專利的全部內(nèi)容都合并于此。
圖2描述了RF發(fā)生器10的不同實(shí)施例。圖2的RF發(fā)生器10可用于實(shí)現(xiàn)比圖1中示出的RF發(fā)生器10低的功率配置。RF發(fā)生器10包括具有一對功率放大器的功率放大器12，以及相關(guān)的驅(qū)動器模塊14和箝位電路16。圖1和圖2中示出的RF發(fā)生器10的實(shí)施例驗(yàn)證了RF發(fā)生器10結(jié)構(gòu)的開放特性(scalable nature)。特別地，虛線所示的電源模塊18-3和18-4，表示在圖1中具有的而在圖2中省略掉的一對電源模塊以及伴隨的功率放大器電路，它們表明了圖1的系統(tǒng)已進(jìn)行了縮減。同樣地，從補(bǔ)償模塊28輸出的一對控制線路以虛線出現(xiàn)，以便進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計的開放特性。
圖3描述了RF系統(tǒng)100的各種實(shí)施例。RF系統(tǒng)100包括至少兩個RF發(fā)生器10-1，10-2，…，10-n，這些RF發(fā)生器統(tǒng)稱為RF發(fā)生器10。RF系統(tǒng)100組合來自至少兩個RF發(fā)生器10的能量，以產(chǎn)生RF信號。在某些實(shí)施例中，各個RF發(fā)生器10產(chǎn)生大約13千瓦的RF功率。隨后，RF發(fā)生器10的輸出被組合，以便在RF系統(tǒng)100的輸出端產(chǎn)生介于20～40千瓦之間的功率。作為示例，圖3可以用集成機(jī)架(integrated rack)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
圖3進(jìn)一步驗(yàn)證了此處描述的系統(tǒng)的開放特性。在圖3中，在組合兩個或更多RF發(fā)生器10的輸出以產(chǎn)生提高的輸出功率的系統(tǒng)中，圖1或圖2的RF發(fā)生器單元10作為基本元件來實(shí)現(xiàn)。在圖3中，RF發(fā)生器模塊10基本上相同。圖1和圖2中的單個系統(tǒng)控制模塊34控制圖1的RF發(fā)生器10。
在某些實(shí)施例中，各個RF發(fā)生器10包括各自的電源模塊18、驅(qū)動器模塊14、功率放大器12以及相關(guān)的配套電路。圖1或圖2中的補(bǔ)償器28作為從補(bǔ)償模塊28-1和28-2，在各自的RF發(fā)生器10-1和10-2中出現(xiàn)。圖3的從補(bǔ)償模塊28以類似于對圖1和圖2的描述那樣工作。各個從補(bǔ)償模塊28監(jiān)控各自的組合器/VI探測器46(未在圖3示出)的輸出，并產(chǎn)生調(diào)整信號給驅(qū)動器模塊14，以控制各自的PA模塊12(未在圖3示出)。從補(bǔ)償模塊28還從主補(bǔ)償模塊128接收輸入。正如這里進(jìn)一步描述的，主補(bǔ)償模塊128接收輸入并且產(chǎn)生輸出信號給從補(bǔ)償模塊28-1和28-2。系統(tǒng)控制模塊34以類似于對圖1和圖2的描述那樣工作。
各個RF發(fā)生器10輸出RF信號到組合器模塊102，該組合器模塊102按上文所述工作，以組合這些RF輸出并產(chǎn)生單個RF輸出。該單個RF輸出被傳送到VI探測器106。VI探測器106產(chǎn)生輸出信號108-1和108-2，這些信號對應(yīng)于RF輸出信號104中的電壓和電流。主補(bǔ)償模塊128接收該電壓和電流信號，并產(chǎn)生輸出信號112給各個從補(bǔ)償模塊128-1和128-2。
電源聯(lián)鎖模塊114通過聯(lián)鎖線路40與各個RF發(fā)生器10通信。電源聯(lián)鎖模塊114監(jiān)控那些需要禁止RF發(fā)生器10的狀況。作為無限制的示例，如果檢測到無掩蔽(exposed)的RF連接，則聯(lián)鎖信號輸入到電源聯(lián)鎖模塊114。在這種情況下，電源聯(lián)鎖模塊114產(chǎn)生信號以禁止RF發(fā)生器10。電源聯(lián)鎖模塊114還接收經(jīng)過通過系統(tǒng)控制模塊34傳遞的外部聯(lián)鎖信號。電源聯(lián)鎖模塊114通過線路150與系統(tǒng)控制模塊34通信，以便還從電源聯(lián)鎖模塊114使用的系統(tǒng)控制模塊34接收信號，以控制水螺線管(watersolenoids)。作為無限制的示例，如果系統(tǒng)控制模塊34檢測到冷凝(condensation)狀況，則系統(tǒng)控制模塊產(chǎn)生信號給電源聯(lián)鎖模塊114，以禁止水螺線管，從而限制RF發(fā)生器10的殼體內(nèi)可能的冷凝。在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)控制模塊34和電源聯(lián)鎖模塊114還與面板116通信，以提供信息給系統(tǒng)的操作者。
權(quán)利要求
1.一種射頻RF功率發(fā)生器，包括產(chǎn)生RF功率的驅(qū)動器模塊；放大所述RF功率的功率放大器模塊；以及包括第一通信端口的數(shù)據(jù)獲取模塊，其接收與所述功率放大器模塊相關(guān)的診斷數(shù)據(jù)，其中，所述數(shù)據(jù)獲取模塊保存通過所述第一通信端口接收故障指示之前預(yù)定時段內(nèi)所接收的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的RF功率發(fā)生器，其中所述診斷數(shù)據(jù)包括電壓、電流、相角、溫度以及過程變量中的至少一個。
3.如權(quán)利要求1所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括與所述功率放大器模塊的輸出端通信的感性箝位電路。
4.如權(quán)利要求3所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括向所述功率放大器供電的電源，以及與所述數(shù)據(jù)獲取模塊通信并控制所述電源的電源控制模塊。
5.如權(quán)利要求4所述的RF功率發(fā)生器，其中所述電源控制模塊基于所述故障指示限制由所述電源輸送的功率。
6.如權(quán)利要求5所述的RF功率發(fā)生器，其中在所述電源控制限制由所述電源輸送的功率之前，所述感性箝位電路限制施加到所述功率放大器模塊上的負(fù)載。
7.如權(quán)利要求1所述的RF功率發(fā)生器，其中所述功率放大器模塊包括中空晶體管封裝。
8.如權(quán)利要求1所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括求和模塊和至少兩個電源模塊，所述求和模塊基于來自所述電源模塊的電流產(chǎn)生第一電流，其中所述第一電流傳送到所述功率放大器。
9.如權(quán)利要求1所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括控制模塊，其包括第二通信端口并確定所述功率放大器的工作參數(shù)；電源控制模塊，其包括第三通信端口并確定向所述功率放大器供電的電源的工作參數(shù)；以及菊化鏈通信鏈路，其連接所述第一通信端口、第二通信端口和第三通信端口。
10.如權(quán)利要求1所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括電壓和電流V/I探測器，其根據(jù)在所述功率放大器的輸出端的經(jīng)放大的RF功率的電壓和電流產(chǎn)生信號。
11.一種RF功率發(fā)生器，包括產(chǎn)生RF信號的RF功率放大器模塊；向所述功率放大器供電的電源；包括第一通信端口的控制模塊，其確定所述功率放大器的工作參數(shù)；包括第二通信端口的電源控制模塊，其確定所述電源的工作參數(shù)；以及菊化鏈通信鏈路，其連接所述第一通信端口和第二通信端口。
12.如權(quán)利要求11所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括與所述功率放大器的輸出端通信的感性箝位電路。
13.如權(quán)利要求12所述的RF功率發(fā)生器，其中在所述電源控制限制由所述電源輸送的功率之前，所述感性箝位電路限制施加到所述功率放大器模塊上的負(fù)載。
14.如權(quán)利要求11所述的RF功率發(fā)生器，其中所述電源控制模塊基于通過所述通信鏈路接收故障指示，限制由所述電源輸送的功率。
15.如權(quán)利要求11所述的RF功率發(fā)生器，其中所述功率放大器模塊包括中空晶體管封裝。
16.如權(quán)利要求11所述的RF功率發(fā)生器，其中所述電源包括求和模塊和至少兩個電源模塊，所述求和模塊基于來自所述電源模塊的電流產(chǎn)生第一電流，其中所述第一電流傳送到所述功率放大器。
17.如權(quán)利要求11所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)獲取模塊，其包括連接到所述通信鏈路的第三通信端口，并且接收與所述功率放大器模塊相關(guān)的診斷數(shù)據(jù)，其中，所述數(shù)據(jù)獲取模塊保存通過所述第一通信端口接收故障指示之前預(yù)定時段內(nèi)所接收的數(shù)據(jù)。
18.如權(quán)利要求17所述的RF功率發(fā)生器，其中所述診斷數(shù)據(jù)包括電壓、電流、相角、溫度以及過程變量中的至少一個。
19.如權(quán)利要求11所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括基于所述RF信號的電壓和電流產(chǎn)生信號的V/I探測器。
20.一種射頻RF功率發(fā)生器，包括產(chǎn)生RF功率的功率發(fā)生器模塊；放大所述RF功率的功率放大器模塊；向所述功率放大器模塊供電的電源模塊；以及包括第一通信端口的電源控制模塊，其基于通過所述第一通信端口接收故障指示，限制所述電源模塊的輸出參數(shù)。
21.如權(quán)利要求20所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括感性箝位電流，其與所述功率放大器模塊的輸出端通信，并在所述電源控制模塊限制所述電源輸送的功率之前，限制施加到所述功率放大器模塊的負(fù)載。
22.如權(quán)利要求20所述的RF功率發(fā)生器，其中所述功率放大器模塊包括中空晶體管封裝。
23.如權(quán)利要求20所述的RF功率發(fā)生器，其中所述電源模塊包括求和模塊和至少兩個電源模塊，該求和模塊基于來自所述電源模塊的電流產(chǎn)生第一電流的，其中所述第一電流傳送到所述功率放大器模塊。
24.如權(quán)利要求20所述的RF功率發(fā)生器，其中所述診斷數(shù)據(jù)包括電壓、電流、相角、溫度以及與所述功率放大器模塊相關(guān)的過程變量中的至少一個。
25.如權(quán)利要求24所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括包含第二通信端口的數(shù)據(jù)獲取模塊，其接收和保存通過所述第二通信端口接收所述故障指示之前預(yù)定時段內(nèi)所接收的診斷數(shù)據(jù)。
26.如權(quán)利要求20所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括控制模塊，其包括第三通信端口并確定所述功率放大器的工作參數(shù)；以及菊化鏈通信鏈路，其連接所述第一通信端口、第二通信端口和第三通信端口。
27.如權(quán)利要求20所述的RF功率發(fā)生器，進(jìn)一步包括與所述功率放大器模塊的輸出端通信的V/I探測器。
全文摘要
開放的射頻RF發(fā)生器系統(tǒng)，包括至少一個電源、至少一個從所述電源接收輸入的功率放大器，和電源控制模塊以及系統(tǒng)控制器。來自至少一個電源的輸出可以被組合并施加到各個功率放大器。來自至少一個功率放大器中的各個功率放大器的輸出可以組合，以產(chǎn)生一個單個RF信號。補(bǔ)償模塊控制所述至少一個電源的工作。所述補(bǔ)償模塊、系統(tǒng)控制模塊以及電源控制器按照菊化鏈結(jié)構(gòu)通信。
文檔編號H04B1/04GK1905375SQ20061010904
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者亞倫·T·瑞多姆斯基, 喬恩·士麥卡, 丹尼爾·J·林肯, 約根德拉·查拉, 大衛(wèi)·J·庫姆, 威帝姆·盧波莫斯基 申請人:Mks儀器有限公司